JP2007010421A - 温度測定モジュールおよびそれを用いた温度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 鍋等の被測定対象物の材質が異なっていても、温度を非接触で正確に測定できる温度測定モジュールおよびそれを用いた温度測定方法を提供することにある。
【解決手段】 被測定対象物が放射する赤外線の特定の波長域を測定する第１赤外線センサ２２と、前記第１赤外線センサ２２が測定する波長域よりも長い波長域を測定する第２赤外線センサ２３と、前記第１赤外線センサ２２および前記第２赤外線センサ２３が測定した赤外線強度の比率に基づいて被測定対象物の温度を検出する第１温度検出手段４２と、前記第２赤外線センサ２３が測定した赤外線強度に基づいて被測定対象物の温度を検出する第２温度検出手段４３と、前記第１温度検出手段４２および前記第２温度検出手段４３が出力した温度データを比較し、より高い温度データを出力する比較手段４７と、からなる温度測定モジュールである。
【選択図】図２

Description

本発明は温度測定モジュール、例えば、ガスコンロや電磁コンロで加熱される鍋等の温度を非接触で測定する温度測定モジュールおよびそれを用いた温度測定方法に関する。

一般的に、コンロ等で加熱される鍋の温度を非接触で測定する方法としては、放射線強度測定法および２色測定法が挙げられる。前記放射線強度測定法は、赤外線検出手段の出力が被測定対象物の放射率に依存していることに着目し、既知の放射率と測定した放射強度とを用いて鍋の温度を検出する方法である。

一方、２色測定法は放射率に依存しない方法であり、２つの波長域の赤外線強度を測定し、赤外線強度の比率に基づき、一定の関数関係に従って温度を計算して検出する方法である（特許文献１参照）、この方法によれば、アルマイト製鍋およびガラス製鍋のいずれの鍋の温度をも測定できるとされている。
なお、本発明が主に解決しようとする鍋等の温度は３００℃以下であり、その温度帯域で被測定対象物から放射される放射線は主に赤外線領域である。よって、本発明においては被測定対象物から放射される放射線を赤外線として記述している。
特開２００２−３４０３３９号公報

しかしながら、前者の放射線強度測定法は放射率の影響を受けやすく、放射率は鍋の材質毎に大きく異なる。このため、放射率を特定の数値に固定して計算すると、鍋の材質によっては検出温度のバラツキが大きくなる。この結果、鍋の材質が変化する度に前記鍋の材質に対応する放射率を入力する必要があり、煩雑であるので、実用的でない。

一方、波長ごとの放射率を示す放射率スペクトルは被測定対象物固有のものであり、鍋の材質によって大きく異なる場合もある。このため、前記２色測定法のように特定の２種類の波長域を測定するだけでは、材質の異なる鍋の温度を正確に検出できないという問題点がある。

本発明は、前記問題点に鑑み、鍋等の被測定対象物の材質が異なっても、温度を非接触で正確に測定できる温度測定モジュールおよびそれを用いた温度測定方法を提供することを課題とする。

本発明にかかる温度測定モジュールは、前記課題を解決すべく、被測定対象物が放射する赤外線の特定の波長域を測定する第１赤外線検出手段と、前記第１赤外線検出手段が測定する波長域よりも長い波長域を測定する第２赤外線検出手段と、前記第１赤外線検出手段および前記第２赤外線検出手段が測定した赤外線強度の比率に基づいて被測定対象物の温度を検出する第１温度検出手段と、前記第２赤外線検出手段が測定した赤外線強度に基づいて被測定対象物の温度を検出する第２温度検出手段と、前記第１温度検出手段および前記第２温度検出手段が出力した温度データを比較し、より高い温度データを出力する比較手段と、からなる構成としてある。

本発明によれば、金属光沢面を有する被測定対象物のように放射率が低い場合には、実際の温度よりも低い温度データを出力する赤外線強度に基づいた温度検出方法を利用せず、２つの波長域の赤外線強度の比率に基づいて検出した高い温度データを選択する。
一方、非金属光沢面を有する被測定対象物のように短波長の波長域の赤外線強度が大きくない場合には、実際の温度よりも低い温度データを出力する２つの波長域の赤外線強度比率に基づいた温度検出方法を利用せず、安定した大きな放射率が得られる長波長の波長域における赤外線強度に基づいて検出した温度データを選択する。
したがって、第１，第２温度検出手段が出力する２つの温度データのうち、より高い温度データを常に選択して出力することにより、温度をより正確に検出できる温度測定モジュールが得られる。

本発明にかかる他の測定モジュールとしては、被測定対象物が放射する赤外線の特定の波長域を測定する第１赤外線検出手段と、前記第１赤外線検出手段が測定する波長域よりも長い波長域を測定する第２赤外線検出手段と、前記第１，第２赤外線検出手段の周囲温度を測定する参照温度検出手段と、前記第１赤外線検出手段および前記第２赤外線検出手段が測定した赤外線強度の比率に基づいて被測定対象物の温度を検出する第１温度検出手段と、前記第２赤外線検出手段が測定した赤外線強度に基づいて被測定対象物の温度を検出する第２温度検出手段と、前記参照温度検出手段の測定データに基づいて前記周囲温度を検出する第３温度検出手段と、第１温度検出手段および第３温度検出手段の温度データを合算する第１加算手段と、第２温度検出手段および第３温度検出手段の温度データを合算する第２加算手段と、前記第１加算手段および前記第２加算手段がそれぞれ出力した温度データを比較し、より高い温度データを出力する比較手段と、からなる構成としてもよい。

本発明によれば、前述の効果に加え、周囲温度を加算することにより、より一層精度の高い温度測定が可能となる。

本発明にかかる実施形態としては、第１赤外線検出手段の測定波長域が３．０μｍ〜４．２μｍであってもよく、また、第２赤外線検出手段の測定波長域が８．０μｍ〜１３μｍであってもよい。
本実施形態によれば、前述の効果に加え、いわゆる大気の窓と呼ばれる波長域で測定するので、ガス炎や熱気等による外乱を回避でき、精度の高い温度測定が可能となる。

本発明にかかる温度測定方法は、被測定対象物が放射する赤外線の特定の波長域を第１赤外線検出手段で測定するとともに、前記第１赤外線検出手段が測定する波長域よりも長い波長域を第２赤外線検出手段で測定した後、前記第１赤外線検出手段および前記第２赤外線検出手段が測定した赤外線強度の比率に基づいて第１温度検出手段で被測定対象物の温度を検出するとともに、前記第２赤外線検出手段が測定した赤外線強度に基づいて第２温度検出手段で被測定対象物の温度を検出し、ついで、前記第１温度検出手段および前記第２温度検出手段が出力した温度データを比較手段で比較し、より高い温度データを出力する工程からなる。

本発明によれば、金属光沢面を有する被測定対象物のように全波長域において放射率が低い場合には、実際の温度よりも低い温度データを出力する原因となる赤外線強度を利用せず、２つの赤外線放射強度の比率に基づいて検出した高い温度データを選択する。
一方、非金属光沢面を有する被測定対象物のように、放射率スペクトルが被測定対象物の材質によって特徴的であり、２つの波長域間で安定しない場合には、安定した高い放射率を確保できる長波長の波長域における赤外線強度に基づいて検出した高い温度データを選択する。
したがって、第１，第２温度検出手段が出力する２つの温度データのうち、より高い温度データを常に選択して出力することにより、温度をより正確に検出できる温度測定方法が得られる。

本発明にかかる他の温度測定方法は、被測定対象物が放射する赤外線の特定の波長域を第１赤外線検出手段で測定し、前記第１赤外線検出手段が測定する波長域よりも長い波長域を第２赤外線検出手段で測定するとともに、前記第１，第２赤外線検出手段の周囲温度を参照温度検出手段で測定した後、前記第１赤外線検出手段および前記第２赤外線検出手段が測定した赤外線強度の比率に基づいて第１温度検出手段で被測定対象物の温度を検出し、前記第２赤外線検出手段が測定した赤外線強度に基づいて第２温度検出手段で被測定対象物の温度を検出するとともに、前記参照温度検出手段の測定データに基づいて前記周囲温度を第３温度検出手段で検出し、ついで、第１温度検出手段および第３温度検出手段の温度データを第１加算手段で合算するとともに、第２温度検出手段および第３温度検出手段の温度データを第２加算手段で合算し、最後に、前記第１加算手段および前記第２加算手段がそれぞれ出力した温度データを比較し、より高い温度データを比較手段が出力する工程からなるものである。

本発明によれば、前述の効果に加え、周囲温度を加算することにより、より一層精度の高い温度測定が可能となる。

本発明にかかる実施形態としては、第１赤外線検出手段の測定波長域が３．０μｍ〜４．２μｍであってもよく、また、第２赤外線検出手段の測定波長域が８．０μｍ〜１３μｍであってもよい。
本実施形態によれば、前述の効果に加え、いわゆる大気の窓と呼ばれる波長域で測定するので、ガス炎や熱気等による外乱を回避でき、精度の高い温度測定が可能になるという効果がある。

本発明にかかる実施形態を図１ないし図１２の添付図面に従って説明する。
第１実施形態にかかる温度測定モジュール１０は、図１および図２に示すように、センサ部２０と、アナログ回路部３０と、デジタル回路部４０とで構成されている。

前記センサ部２０は、図１に示すように、１つのハウジング２１内に第１赤外線センサ２２、第２赤外線センサ２３および参照温度センサ２４を配置してある。環境変化に対するセンサ間の特性のバラツキ、および、製造コストを低減するためである。前記第１，第２赤外線センサ２２，２３としては、例えば、フォトダイオード、サーモパイル等が挙げられ、前記ハウジング２１の第１，第２フィルタ２５，２６を通過した赤外線の強度をそれぞれ検出する。前記第１，第２赤外線センサ２２，２３自体は、被測定対象物と第１，第２赤外線センサ２２，２３との温度差に見合ったエネルギーを赤外光で受け取り、それに見合った電圧を出力する。

前記第１フィルタ２５は３．０μｍないし４．２μｍの波長域、好ましくは３．５μｍないし４．０μｍの波長域の赤外線だけを通過させるためのものである。また、前記第１フィルタ２６は８．０μｍないし１３μｍの波長域、好ましくは８．０μｍないし１２．０μｍの波長域の赤外線だけを通過させるためのものである。前述のような波長域を選択するのは次の理由によるものである。
すなわち、ガス炎、および、ガス炎の周辺に位置する熱気中のＨ_２ＯやＣＯ_２は赤外線を放射するが、図４に示すように、放射エネルギーを検出できない、いわゆる大気の窓といわれる波長域がある。そこで、ガス炎や熱気による外乱の影響を回避し、測定精度を向上させるために前述のような大気の窓と呼ばれる波長域を選定した。

前記第１，第２フィルタ２５，２６としては、例えば、シリコンウエハや石英の表面に真空蒸着で干渉膜を形成したものが挙げられる。また、前記シリコンウエハ等の表裏面に異なる干渉膜をそれぞれ形成することにより、バンドパスフィルタを形成してもよい。さらに、別体のショートパスフィルタとロングパスフィルタとを組み合わせたものをバンドパスフィルタとして使用してもよい。

参照温度センサ２４は、第１，第２赤外線センサ２２，２３自体の温度に見合ったエネルギーを検出し、これを第１，第２赤外線センサ２２，２３の検出結果に加算することにより、被測定対象物の温度をより正確に検出するためのものである。前記参照温度センサ２４としては、例えば、サーミスタが使用される。

前記アナログ回路部３０は、前記第１，第２赤外線センサ２２，２３および参照温度センサ２４が検出した信号を増幅器３１，３２，３３でそれぞれ増幅するとともに、センサ毎の特性のバラツキを調整可能としてある。そして、アナログ切替手段３４を設けることにより、センサ毎の出力データを個々にデジタル回路部４０に出力し、回路の簡素化を図っている。

前記デジタル回路部４０は増幅されたアナログ信号をＡ／Ｄ変換器４１でデジタル信号に変換した後、図示しないバッファに格納しておき、第１，第２赤外線センサ２２，２３および参照センサ２４からのデータが揃った時点で、第１，第２，第３温度検出手段４２，４３，４４に前記バッファに格納されたデータをそれぞれ出力する。特に、図３に示すように、第１温度検出手段４２に第１赤外線センサ２２および第２赤外線センサ２３が検出した赤外線強度をそれぞれ入力し、両方の赤外線強度の比率および温度相関関数（図８Ａ）に基づいて温度を計算し、計算結果を第１加算手段に出力する。

前記第２温度検出手段４３は、図３に示すように、第２赤外線センサ２３が検出した赤外線強度と温度相関関数（図８Ｂ）とに基づいて温度を計算し、計算結果を第２加算手段４６に出力する。さらに、第３温度検出手段４４は、参照温度センサ２４の出力と温度相関関数とに基づいて温度を計算し、計算結果を第１，第２加算手段４５，４６にそれぞれ出力する。

第１加算手段４５は第１温度検出手段４２および第３温度検出手段４４から入力された温度データを合算し、その結果を比較手段４７に出力する。同様に、第２加算手段４６は第２温度検出手段４３および第３温度検出手段４４から入力された温度データを合算し、その結果を比較手段４７に出力する。

前記比較手段４７では、第１，第２加算手段４５，４６から出力された温度データを比較し、より高い温度データを測定温度として出力する。

本実施形態のように、第１，第２加算手段４５，４６から出力された温度データのうち、高い温度データを選択して出力するのは以下の理由による。
すなわち、被測定対象物がステンレスやアルミニウムのような金属光沢面である場合には、放射率は非常に低い（図５参照）。例えば、ステンレスが１５０℃で加熱されている場合におけるステンレス鍋の放射率は０．１〜０．２程度と低い。このため、放射率０．８５程度を想定した放射線強度測定法により、赤外線強度と温度との相関関係に基づいて温度を計算すれば、ステンレス鍋が実際に加熱されている温度よりも常に低い温度をステンレス鍋の温度として第２温度検出手段が出力する（図９Ｂ）。

これに対し、いわゆる２色測定法は放射率を基準とせず、異なる波長域における赤外線放射強度の比率に基づいて処理する方法である。図５から明なように、ステンレスの波長域３．０μｍ〜４．２μｍの放射率および波長域８．０〜１３μｍの放射率が安定している。さらに、波長域３．０μｍ〜４．２μｍの放射率が波長域８．０〜１３μｍの放射率よりも約１．６倍程、大きい。このため、いわゆる２色測定法によれば、実際の温度に近く、かつ、放射線強度測定法よりも常に大きな温度データを得ることができる（図９Ａ）。この結果、より大きな温度データを選択することにより、金属光沢面を有するステンレス鍋の温度を正確に検出できる。

一方、図６，７に示すように、アルマイト、ホーロー、焼付け塗装１，２のような非金属光沢面を有する鍋は８．０〜１３μｍの広い波長域における放射率が大きく、かつ、安定している。このため、８．０〜１３μｍの波長域における赤外線強度から放射強度測定法に基づいて温度を検出すれば、非金属光沢面を有する鍋の温度を正確に検出できる。
しかし、前記アルマイト等の鍋は、波長域３．０μｍ〜４．２μｍの放射率が波長域８．０〜１３μｍの放射率と同等あるいは小さい。このため、波長域３．０μｍ〜４．２μｍの放射率が波長域８．０〜１３μｍの放射率よりも約１．６倍程、大きいことを想定した２色測定法に基づいて鍋の温度を検出しても、放射強度測定法よりも大きな温度データは得られない。

したがって、被測定対象物がステンレス等の金属光沢面を有する鍋、あるいは、アルマイト等の非金属光沢面を有する鍋であっても、第１，第２温度検出手段４２，４３がそれぞれ検出する温度データのうち、より高い温度データを比較手段４７が選択すれば、鍋の材質に関係なく、常に正確な温度を検出できる温度測定モジュールおよび温度測定方法が得られる。

次に、本願発明にかかる温度測定モジュールによる実施例について説明する。
測定装置としては、図１０および図１１に示すように、図示しない開放空間内に、本願発明にかかる温度測定モジュール１０を後述するサンプル５０の中央に距離８０ｍｍで対向するように配置した。

前記温度測定モジュール１０は、図１に示すように、第１フィルタに波長域３．０μｍ〜４．２μｍのバンドパスフィルタ２５、第２フィルタに波長域８．０μｍ〜１３．０μｍのバンドパスフィルタ２６を使用した。また、第１，第２赤外線センサ２２，２３にサーネーモパイル、参照温度センサ２４にサーミスタを使用した。

被測定対象物である前記サンプル５０は、各種鍋の鍋底から巾約８０ｍｍ、長さ約８０ｍｍの大きさに切り取った板状材である。鍋の種類としては、ステンレス鍋、アルミ鍋、ホーロー鍋、焼付け塗装鍋１、アルマイト鍋、焼付け塗装鍋２である。

特に、前記焼付け塗装鍋１は、ケイ素を骨格する縮合体であるシリコーン樹脂に無機質フィラーおよびセラミック粉末を添加した塗料を塗布して焼付けたものである。また、前記焼付け塗装鍋２は、純シリコーン樹脂塗料を塗布して焼付けたものである。

そして、前記サンプル５０は、巾１５０ｍｍ、長さ１５０ｍｍ、厚さ３ｍｍのアルミ板からなるヒータブロック５１の表面にネジ５２で固定され、かつ、銀フィラーを添加したエポキシ樹脂で接着一体化されている。前記ヒータブロック５１は、巾１５０ｍｍ、長さ１５０ｍｍ、厚さ３．０ｍｍのステンレス板からなる板状発熱体５３の表面にネジ５４で固定されている。前記板状発熱体５３の裏面には温度が均一に分布するようにニクロム線が張り巡らされている。なお、板状発熱体５３としてセラミックヒータを代用してもよい。

そして、前記サンプル５０を温度１００℃、１５０℃、２００℃および２５０℃に加熱し、前記温度測定モジュール１０で赤外線放射強度を測定，処理した。測定結果を図１２の図表に示す。

図１２から明なように、金属光沢表面を有するステンレス鍋およびアルミ鍋の場合には、被測定対象物の温度と比較手段から出力された出力温度とが良く対応していることが判る。
また、金属光沢表面を有しないホーロー鍋、焼付け塗装鍋１、アルマイト鍋、焼付け塗装鍋２の場合にも、被測定対象物の温度と比較手段から出力された出力温度とが良く対応していることが判る。
したがって、被測定対象物の温度と比較手段の出力温度とを比較した結果、参照温度加算後の第１，第２温度検出手段のうち、比較手段がより高い温度を選択すれば、被測定対象物の温度に近似することを確認できた。

なお、加算手段は必ずしも２つ設ける必要はなく、１つの加算手段で温度補正を行ってもよい。
また、参照温度センサの温度データに基づく温度補正は、比較手段が加算手段に温度データを出力した後、前記加算手段において参照温度センサに基づく温度データを加算してもよい。

本願発明にかかる温度測定モジュールおよび温度測定方法は、ガスコンロ等で加熱される鍋の温度測定に限らず、非接触で測定することを必要とする他の技術分野においても適用できる。

本発明にかかる温度測定モジュールの実施形態を示す概略説明図である。 図１で示した温度測定モジュールのブロック図である。 処理手順を示す説明図である。 熱気の放射特性を示すグラフ図である。 図５Ａ，５Ｂは、ステンレスおよびアルミニウムの放射率スペクトルを示すグラフ図である。 図６Ａ，６Ｂは、アルマイトおよびホーローの放射率スペクトルを示すグラフ図である。 図７Ａ，７Ｂは、焼付け塗装１および焼付け塗装２の放射率スペクトルを示すグラフ図である。 図８Ａ，８Ｂは、第１，第２温度検出手段の温度相関関係をそれぞれ示すグラフ図である。 図９Ａ，９Ｂは、材質が異なる場合の第１，第２温度検出手段の温度相関関係を示すグラフ図である。 図１０Ａ，１０Ｂは、実施例の測定装置を示す分解斜視図および分解正面図である。 図１１Ａ，１１Ｂは、実施例の測定装置を示す斜視図および正面図である。 実施例の測定結果を示す図表である。

符号の説明

１０：温度測定モジュール
２０：センサ部
２１：ハウジング
２２：第１赤外線センサ
２３：第２赤外線センサ
２４：参照温度センサ
２５：第１フィルタ
２６：第２フィルタ
３０：アナログ回路部
４０：デジタル回路部
４１：Ａ／Ｄ変換器
４２：第１温度検出手段
４３：第２温度検出手段
４４：第３温度検出手段
４５：第１加算手段
４６：第２加算手段
４７：比較手段
５０：サンプル
５１：ヒータブロック
５３：板状発熱体

Claims (8)

1. 被測定対象物が放射する赤外線の特定の波長域を測定する第１赤外線検出手段と、
   前記第１赤外線検出手段が測定する波長域よりも長い波長域を測定する第２赤外線検出手段と、
   前記第１赤外線検出手段および前記第２赤外線検出手段が測定した赤外線強度の比率に基づいて被測定対象物の温度を検出する第１温度検出手段と、
   前記第２赤外線検出手段が測定した赤外線強度に基づいて被測定対象物の温度を検出する第２温度検出手段と、
   前記第１温度検出手段および前記第２温度検出手段が出力した温度データを比較し、より高い温度データを出力する比較手段と、
   からなることを特徴とする温度測定モジュール。
2. 被測定対象物が放射する赤外線の特定の波長域を測定する第１赤外線検出手段と、
   前記第１赤外線検出手段が測定する波長域よりも長い波長域を測定する第２赤外線検出手段と、
   前記第１，第２赤外線検出手段の周囲温度を測定する参照温度検出手段と、
   前記第１赤外線検出手段および前記第２赤外線検出手段が測定した赤外線強度の比率に基づいて被測定対象物の温度を検出する第１温度検出手段と、
   前記第２赤外線検出手段が測定した赤外線強度に基づいて被測定対象物の温度を検出する第２温度検出手段と、
   前記参照温度検出手段の測定データに基づいて前記周囲温度を検出する第３温度検出手段と、
   第１温度検出手段および第３温度検出手段の温度データを合算する第１加算手段と、
   第２温度検出手段および第３温度検出手段の温度データを合算する第２加算手段と、
   前記第１加算手段および前記第２加算手段がそれぞれ出力した温度データを比較し、より高い温度データを出力する比較手段と、
   からなることを特徴とする温度測定モジュール。
3. 第１赤外線検出手段の測定波長域が、３．０μｍ〜４．２μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の温度測定モジュール。
4. 第２赤外線検出手段の測定波長域が、８．０μｍ〜１３μｍであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の温度測定モジュール。
5. 被測定対象物が放射する赤外線の特定の波長域を第１赤外線検出手段で測定するとともに、前記第１赤外線検出手段が測定する波長域よりも長い波長域を第２赤外線検出手段で測定した後、
   前記第１赤外線検出手段および前記第２赤外線検出手段が測定した赤外線強度の比率に基づいて第１温度検出手段で被測定対象物の温度を検出するとともに、前記第２赤外線検出手段が測定した赤外線強度に基づいて第２温度検出手段で被測定対象物の温度を検出し、
   ついで、前記第１温度検出手段および前記第２温度検出手段が出力した温度データを比較手段で比較し、より高い温度データを出力することを特徴とする温度測定方法。
6. 被測定対象物が放射する赤外線の特定の波長域を第１赤外線検出手段で測定し、前記第１赤外線検出手段が測定する波長域よりも長い波長域を第２赤外線検出手段で測定するとともに、前記第１，第２赤外線検出手段の周囲温度を参照温度検出手段で測定した後、
   前記第１赤外線検出手段および前記第２赤外線検出手段が測定した赤外線強度の比率に基づいて第１温度検出手段で被測定対象物の温度を検出し、前記第２赤外線検出手段が測定した赤外線強度に基づいて第２温度検出手段で被測定対象物の温度を検出するとともに、前記参照温度検出手段の測定データに基づいて前記周囲温度を第３温度検出手段で検出し、
   ついで、第１温度検出手段および第３温度検出手段の温度データを第１加算手段で合算するとともに、第２温度検出手段および第３温度検出手段の温度データを第２加算手段で合算し、
   最後に、前記第１加算手段および前記第２加算手段がそれぞれ出力した温度データを比較し、より高い温度データを比較手段が出力することを特徴とする温度測定方法。
7. 第１赤外線検出手段の測定波長域が、３．０μｍ〜４．２μｍであることを特徴とする請求項５または６に記載の温度測定方法。
8. 第２赤外線検出手段の測定波長域が、８．０μｍ〜１３μｍであることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載の温度測定方法。
   

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